PLC在步进电机控制中的应用

Abstract: This paper introduces a controlling method for STEP-MOTOR, and in this method Siemens S7-200 PLC is applied. Particularly, the paper illustrates the operating procedure of this method by a concrete example.
Keywords: PLC; STEP-MOTOR; Position-controlling Wizard; Pulse; Motion Profile

0 前言
    PLC是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动化装置。由于它具有体积小、功能强、程序设计简单，以及维护方便等优点，特别是PLC适应恶劣的工业环境的能力和高可靠性，使其应用越来越广泛。但是由于我国的PLC技术教育落后，许多高校毕业生，甚至一些现场工程技术人员对PLC的知识也相当缺乏[1]。

    步进电机是工业自动化过程当中经常用到的一种控制传动机构，它是通过接受输入脉冲，然后每个脉冲转动一定的步距（角度）来完成对执行机构的控制传动的。使用PLC可以通过特殊功能存储器（SM）或者增加EM253位控模块来控制步进电机，但是使用SM需要熟悉每一位的意义，而且编程烦琐。如果为PLC增加功能扩展模块，无疑会增加产品成本。鉴于这些原因并结合本人的实践经验，本文利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向导来实现应用PLC控制步进电机的运动功能。

1 操作步骤[2]
    使用STEP 7——Micro/WIN位置控制向导，为线性脉冲串输出（PTO）操作组态一个内置输出。启动位置控制向导，可以点击浏览条中的向导图标，然后双击PTO/PWM图标，或者选择菜单命令工具→位置控制向导。
（1）在位置控制向导对话框中选择“配置S7-200 PLC内置PTO/PWM操作”。
（2）选择Q0.0或Q0.1，组态作为PTO的输出。
（3）从下拉对话框中选择“线性脉冲串输出（PTO）”。
（4）若想监视PTO产生的脉冲数目，点击复选框选择使用高速计数器。
（5）在对应的编辑框中输入最高电机速度（MAX_SPEED）和电机的启动/停止速度（SS_SPEED）的数值。
（6）在对应的编辑框中输入加速和减速时间。
（7）在移动包络定义界面，点击新包络按钮允许定义包络，并选择所需的操作模式。
a）对于相对位置包络：
输入目标速度和脉冲数。然后，可以点击“绘制包络”按钮，查看移动的图形描述。
若需要多个步，点击“新步”按钮并按要求输入步信息。
b）对于单速连续转动：
在编辑框中输入目标速度的数值。
若想终止单速连续转动，点击子程序编程复选框，并输入停止事件后的移动脉冲数。
（8）根据移动的需要，可以定义多个包络和多个步。
（9）选择完成结束向导。

2 应用实例
    本例通过PLC控制步进电机在车轮自动超声探伤中的应用，进一步说明利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向导来实现利用PLC控制步进电机的具体操作过程。

    车轮自动超声探伤系统是利用车轮在探伤架上的转动，通过超声波来实现对车轮内部缺陷的检测，其中车轮的转动是由步进电机通过减速箱来实现驱动的。整个系统机械部分的运动由下位机（PLC）来控制，如图1。

图1 机械系统运动原理       图2 上位机与下位机的通信

   为了保证探伤的准确性，一般需要两组探头同时检测分别对车轮的踏面以及内侧面。当这两组探头分别接触到车轮的踏面和内侧面后，PLC会收到这两组探头的行程开关发出的探头到位信号，此时由下位机向上位机（工控机）上传“准备好”信号。在上位机收到“准备好”信号后，可以向下位机发送“探伤开始”的信号了，下位机收到该信号后，立即向步进电机发送脉冲，车轮开始转动，探伤工作开始了，如图2所示，其中上位机与下位机是采用自由口方式进行通信的。

    在这个过程中，利用位置控制向导对步进电机的配置非常重要，合理的配置能够增加探伤系统的灵敏度，不合理的配置会增加探伤工作的困难，甚至有可能烧坏电机。

    在该应用中，配置向导的前四个操作步骤中一般采用默认设置即可。在操作步骤（5）中，MAX_SPEED的设置应该在电机力矩的最大范围内，驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定，在这里设为400。对SS_SPEED的设置不能太大，太大就会造成电机失步，但是如果太小就会在电机启动时产生颤抖或者振动，在此设为100。具体应用要根据不同的电机使用说明书来设置。最低电机速度（MIN_SPEED）系统默认等于SS_SPEED。MAX_SPEED、SS_SPEED和MIN_SPEED的关系如图3所示。

图3  最大、最小和开始/停止速度

在步骤（6）中可以设置加速时间（ACCEL_TIME）和减速时间（DECEL_TIME），如图4所示。在该系统中，探伤主要是在电机匀速转动时工作的，所以加速与减速时间越小越有利于探伤工作，但是时间太小会影响步进电机的使用寿命，在此加速时间设为1000，减速时间设为500。